六、电荷放大器与电压放大器

关于电荷放大器制作的关键

制作一个高质量的电荷放大器确实非常困难，首先要选取最合适的芯片，

为什幺一般的运放不适合做电荷放大器呢？因为电荷放大器的反馈电阻非常

大，通常在150M欧姆以上，如果要制作频带响应非常好的电荷放大器，则

反馈电阻必须在1G欧姆以上，甚至可能到200G欧姆。而低噪声的OP37放

大器的偏流在15nA左右，足以在1G欧姆（我通常用1G欧姆的反馈电阻）

的反馈电阻上产生15V的输出偏压！！！所以一般要使用JFET输入型的运

放，输入偏流在30pA的LF356适合做一般性能的电荷放大器，1G的反馈电

阻导致450mV的输出偏压是可以通过电容隔直耦合消除的。所以我见到过很

多国产的电荷放大器里面使用这款芯片。

但是还有一个重要的因素是电荷放大器的电流噪声，我不喜欢用LF356

做电荷放大器，因为它的电流噪声仍然有0.01pA（仍然是1G的反馈电阻），

这样在输出至少因为运放的电流噪声较大的输出噪声。我们制作的ICA系列

电荷放大器里面的芯片，电流噪声只有0.13fA，好一百倍。

即使用最好的芯片，噪声电流仍然会从电路板的四面八方传导过来，因为

电路板的绝缘电阻已经显得不太绝缘了。用短路环保护运放的输入端非常必

要，即使如此，可恶的噪声电流还是会通过PCB表面的污渍爬过来，比小强

还顽固。电路焊接完成后，必须彻底清洗，我甚至用低温等离子火焰将器件

表面的可能残留的污渍清理掉。

1.电压反馈放大器与电流反馈放大器的区别：

1.带宽VS增益

电压反馈型放大器的-3DB带宽由R1、Rf和跨导gm共同决定，这就是所谓的增益帯宽积的概念，增益增大，带宽成比例下降。同时运放的稳定性有输入阻抗R1和反馈阻抗Rf共同决定。 而对于电流反馈型运放，它的增益和带宽是相互独立的，其-3DB带宽仅由Rf决定，可以通过设定Rf得到不同的带宽。再设定R1得到不同的增益。同时，其稳定性也仅受Rf影响。

2.反馈电阻的取值

电流型运放的反馈电阻应根据数据手册在一个特定的范围内选取，而电压反馈型的反馈电阻的选取就相对而言宽松许多。需要注意的是电容的阻抗随着频率的升高而降低，因而在电流反馈放大器的反馈回路中应谨慎使用纯电容性回路，一些在电压反馈型放大器中应用广泛的电路在电流反馈型放大器中可能导致振荡。 比如在电压反馈型放大器我们常会在反馈电阻Rf上并联一个电容Cf来限制运放的带宽从而减少运放的带宽噪声（Cf也常常可以帮助电压反馈型放大器稳定），这些如果运用到电流反馈放大器上，则十有八九会使你的电路振荡。

3.压摆率

当信号较大时，压摆率常常比带宽更占据主导地位，比如同样用单位增益为280MHZ的放大器来缓冲10MHZ，5V的信号，电流反馈放大器能轻松完成，而电压反馈放大器的输出将呈现三角波，这是压摆率不足的典型表现。 通常来说，电压反馈放大器的压摆率在500V每us,而电流反馈放大器拥有数千V每us.

4.如何选择两类芯片

a,在低速精密信号处理中，基本看不到电流反馈放大器的身影，因为其直流精度远不如精密电压反馈放大器。 b.在高速信号处理中，应考虑设计中所需要的压摆率和增益帯宽积；一般而言，电压反馈放大器在10MHZ以下，低增益和小信号条件下会拥有更好的直流精度和失真性能；而电流反馈放大器在10MHZ以上，高增益和大信号调理中表现出更好的带宽和失真度。 当下面两种情况出现一种时，你就需要考虑一下选择电流反馈放大器：1，噪声增益大于4；2，信号频率大于10MHZ。

电荷 放大器

电荷放大器实际上是积分器的一种具体应用，从数学上讲，积分器的输入

输出关系为:

Vout(t)=int{[k.Vin(t)+V0(t)]dt}[t0,t]，(这里假设输入输出均为电压信号，实际上可以为任何信号,)

电荷放大器的输入信号是脉冲电流i(t)，对特定的传感器来说，脉冲持续时间tp内包含的总电荷Qp=int{i(t)dt}[0,tp]代表了某一个物理量(比如说加

速度)的峰值，因此，积分电路的输出电压Vp=Qp/C也是一个脉冲，脉冲的幅度

也跟这个物理量成线性关系。

对于实际的积分器来说，存在很多非理想的因素，比如漏电流(输入偏置电流，开关关断泄漏电流，电容-pcb绝缘介质泄漏电流)、失调电压、参数的时

间漂移等会影响积分器的实际表现。在上面的表达式中以V0(t)代替。

对于时域非对称信号(时域上对时间的算术平均不为0)来讲，积分器的输出信号是随积分时间增大而呈上升趋势，由于实际电路输出信号的摆幅(受电源

电压大小、电路结构、晶体管尺寸限制)有限，积分器有可能进入到非线性区

(输出饱和)，所以，对这种信号，实际上积分器不能连续工作在对输入信号的

积分状态，它需要有一个间隙时间，对积分器(电容)进行放电复位或者对一个反向的参考源进行"反向"积分。

对于电荷放大器来说，如果没有复位电路(一直工作在对输入信号积分状

态)，则积分器的电容上的电荷会随着输入脉冲累计，一直到放大器饱和为止;

在有复位措施情况下，则取决于每次电荷复位情况，复位不好时也会累集电荷，在经过足够长时间后累积的电荷跟输入脉冲频率有关(定性说来，fin越大，累

计越大，每次复位后的残余电荷越大，稳态后也越大)。

在积分时间非常长的情况，输入端总的等效漏电流在积分器的电荷积累变得不可忽略，产生额外的误差，严重时甚至使放大器趋于饱和，所以必须限制

到一个合理水平，Qleakage=Ileakage*t,Voffset_leakage=Qleakage/C,具体要

- 1 - 电荷放大器工作原理

电荷放大器是一种电路，它可以将微小的电荷信号放大到足以被测量的级别。电荷放大器的应用非常广泛，例如在生物医学、光学、天文学和物理学等领域中，都需要测量微弱的电荷信号。本文将介绍电荷放大器的工作原理及其设计要点。

一、电荷放大器的工作原理

电荷放大器的基本原理是将输入电容器中的电荷转换为电压信号，并将其放大到足以被测量的电平。电荷放大器通常由三个部分组成：输入电容器、运放和反馈电容器。

输入电容器是电荷放大器的输入部分，它的作用是将输入的电荷信号转换为电压信号。输入电容器通常是一个非常小的电容器，其容量可以达到几个皮法德。当输入电容器接收到电荷信号时，电容器的电荷量会发生变化，从而在电容器两端产生电压信号。这个电压信号可以被运放放大，并输出到反馈电容器中。

运放是电荷放大器中最关键的部分，它的作用是将输入电容器中的电压信号放大到足以被测量的电平。运放通常是一个高增益、高输入阻抗的放大器，它可以将微小的电压信号放大到几百倍甚至几千倍。运放的输出信号同时也会被反馈到反馈电容器中，从而形成一个反馈回路。反馈回路可以提高电荷放大器的稳定性和线性度，使得输出信号更加准确。

反馈电容器是电荷放大器的输出部分，它的作用是将运放输出的电压信号反馈到输入电容器中，从而控制电荷放大器的放大倍 - 2 - 数。反馈电容器通常是一个较大的电容器，其容量可以达到几百皮法德。反馈电容器的容量越大，电荷放大器的放大倍数就越小，反之亦然。

二、电荷放大器的设计要点

电荷放大器的设计需要考虑多个因素，包括输入电容器的容量、运放的增益和输入阻抗、反馈电容器的容量等。下面将介绍电荷放大器设计的几个要点。

1. 输入电容器的选择

输入电容器的容量决定了电荷放大器的灵敏度。输入电容器的容量越大，电荷放大器的灵敏度就越高。但是输入电容器的容量也不能太大，因为过大的容量会导致输入电容器的自身噪声增加，从而影响电荷放大器的信噪比。一般来说，输入电容器的容量应该选择在几个皮法德到几十皮法德之间。